تقنيات تصميم فعالة لمحركات البوابات المحسّنة لترانزستورات HV GaN
في إلكترونيات الطاقة ، شهد الطلب على ترانزستورات نيتريد الغاليوم عالية الجهد (HV) ارتفاعًا كبيرًا في السنوات الأخيرة. تقدم ترانزستورات HV GaN مزايا ملحوظة مقارنة بالأجهزة التقليدية القائمة على السيليكون ، مثل انخفاض فقد التوصيل والتبديل ، وكثافة طاقة أعلى ، وكفاءة محسنة. تتيح هذه الميزات العديد من حالات الاستخدام في تطبيقات تتراوح من أنظمة الطاقة المتجددة والمركبات الكهربائية إلى محركات المحركات الصناعية وتقنيات الطيران.
في برنامج تعليمي افتراضي في PowerUp Expo 2023 ، أشار إريك بيرسون ، كبير المهندسين الرئيسيين في Infineon Technologies ، إلى أن ترانزستورات GaN 600 / 650V تسمى ترانزستورات HV GaN. عند مقارنتها بـ Rds (ON) ذات الحجم المماثل من السيليكون أو SiC MOSFETs ، تقدم GaNs العديد من الفوائد:
- لا تسبب أي ناقلات أقلية تأثيرات الاسترداد العكسي ، وهي تساعد على تمكين التبديل الصعب
- شحنة البوابة المنخفضة ، والتي تنتج عن انخفاض سعة المدخلات وكذلك انخفاض جهد العتبة
- سعة الخرج منخفضة وخطية ، وبالتالي تقلل خسائر التبديل ، حتى في طبولوجيا التبديل الناعم
- لا توجد خصائص الانهيار الجليدي ، مما يجعلها أكثر قوة للأحداث ذات الجهد الزائد مثل البرق العابر.
ومع ذلك ، فإن معظم دارات محرك البوابة لترانزستورات GaN يتم تنفيذها عادةً باستخدام شرائح تعتمد على السيليكون ، وهذا الحل الهجين من Si-chips + ترانزستورات GaN يطرح مشكلة جذب المزيد من المحاثات الطفيلية. قد يكون مصدر هذه المحاثات هو الأسلاك أو الآثار الموجودة على متن الطائرة ، وتكون هذه الحثيات أكثر انتشارًا في حالة التبديل عالي التردد.
لذلك ، للاستفادة الكاملة من ترانزستورات GaN ، يصبح تصميم محركات البوابة التي تضمن تشغيلًا موثوقًا وعالي الأداء أمرًا بالغ الأهمية. برنامج تشغيل بوابة مصمم جيدًا ، يتماشى مع بطاقة ابنة Infineon لوحدات PFC (Power Factor Correction) ، يخفف من العديد من المشكلات مثل فقد التبديل العالي ، وآثار التخطيط الأكبر ، والحفاظ على EMI ضمن الحدود ، والتشغيل غير الفعال عند الترددات الأعلى. كما أنه يبسط الإدارة الحرارية ويضمن تكاليف نظام موثوقة وتنافسية. تستكشف هذه المقالة إحدى الطرق العامة لتصميم محركات البوابة وتقنيات التصميم الرئيسية التي تستخدمها Infineon والتي تتيح تطوير محركات البوابة المحسّنة لترانزستورات HV GaN.
محركات البوابة المتكاملة لأجهزة الطاقة GaN
لتطوير محرك بوابة متكامل ، تم تحقيق التكامل الأحادي لمفتاح الطاقة GaN لوضع التعزيز (E) وسائق البوابة القائم على GaN بواسطة مجموعة من الباحثين1 على منصة GaN-on-Si 650-V المتاحة تجاريًا. يلغي هذا التكامل خطوات المعالجة الإضافية ، مما يبسط عملية التصنيع. يستخدم سائق البوابة HEMTs ذات الجهد المنخفض E / D-mode لتشكيل دائرة محرك البوابة ، مما يتيح التحكم الدقيق من خلال إعادة تشكيل ونقل إشارة الدخل PWM.
تم الاهتمام بالعديد من اعتبارات التصميم لتحقيق عملية موثوقة وفعالة. تم تحديد جهد محرك البوابة ليكون 6-7 فولت لضمان التشغيل الكامل لمفتاح الطاقة. كانت شحنة البوابة المطلوبة لتشغيل ترانزستور القدرة GaN ، أي ~ 2 nC ، أقل بكثير من نظيراتها من السيليكون ، مما أدى إلى تحسين الكفاءة.
في التصميم التقليدي ، لوحظت سرعات تحويل أبطأ بسبب عملية شحن مفتاح الطاقة. للتغلب على هذا القيد ، تم إدخال دائرة مضخة شحن في سائق البوابة. يضمن هذا النهج وجود جهد ثابت (VGS) في ترانزستور الشحن القابل للسحب ، مما يعزز سرعة الشحن ويقلل من إجهاد البوابة. أظهر تصميم محرك البوابة الجديد ، Gen-II ، قدرة قيادة أعلى ، وإخراج من السكك الحديدية إلى السكك الحديدية ، وتشغيل جهاز طاقة GaN الفعال ، كما هو موضح في الشكل 1.
أشار توصيف مستوى الشريحة لمحرك البوابة إلى قدرته على تشغيل ترانزستور الطاقة GaN 650-V / 130-mΩ بكفاءة. أظهر سائق البوابة تيارًا هادئًا يبلغ حوالي 6 مللي أمبير ، مما أدى إلى الحد الأدنى من استهلاك الطاقة الساكنة. أشارت قياسات تأخير الانتشار إلى أوقات تشغيل وإيقاف سريعة تبلغ 2.9 نانو ثانية و 1.7 نانو ثانية فقط ، على التوالي ، بسبب كثافة التيار المتفوقة والسعة الجوهرية الأصغر لأجهزة القدرة الجانبية الجاليوم.
انحياز البوابة السلبية لمنع الشحن الزائد لسعة مصدر البوابة
أثناء عملية التشغيل ، على سبيل المثال ، من 0 إلى 50 فولت ، يتم حقن تيار ذروة عالي في عقدة البوابة في غضون فترة زمنية قصيرة جدًا ، مما قد يؤدي إلى شحن سعة مصدر البوابة والتشغيل غير المرغوب فيه لـ ترانزستور عالي الجانب. أوضح بيرسون كيف أن تطبيق انحياز سلبي بدلاً من الجهد الصفري على البوابة يمنع السعة من مصدر البوابة من الشحن ، مما يضمن بقاء الترانزستور عالي الجانب مغلقًا. بالنسبة إلى ترانزستور الغاليوم عالي الجهد بجهد 650 فولت ، يكفي انحياز سلبي يتراوح بين -2.5 و -3 فولت لتحقيق النتيجة المرجوة ومنع الشحن الزائد.
يمكن استخدام محول DC-DC بسيط لتنفيذ محرك البوابة هذا. يوفر هذا المحول ، الذي يتم التحكم فيه بواسطة مذبذب دورة العمل القابل للضبط أو متحكم دقيق ، مصدر تقسيم يتضمن التحيز السلبي المطلوب. يمكن أن يؤدي ضبط دورة العمل إلى التحكم في حجم التحيز السلبي. يوفر محول DC-DC ، مقترنًا بالسعة ، حلاً مباشرًا بدون منظمات إضافية أو تصميمات معقدة. يظهر في الشكل 2 تكوين مثال لبرنامج تشغيل البوابة هذا الذي يستخدم محول DC-DC ، ويعرض تصميمًا مضغوطًا بواسطة Infineon يناسب بطاقة صغيرة. يسمح هذا التكوين بالتحيز الإيجابي والسلبي لمحركات البوابة للترانزستورات العالية والمنخفضة. من خلال توفير قدر كافٍ من التحيز السلبي ، يمكن منع عمليات التشغيل الخاطئة بشكل فعال ، وضمان التشغيل الموثوق. يمكن لبطاقة الابنة من Infineon توفير ما يصل إلى 3.5KW من الطاقة طوال اليوم بينما تصل إلى ذروتها بكفاءة تبلغ حوالي 99.3٪ في وحدات PFC ويمكنها دفع كلا الجانبين المرتفع والمنخفض باستخدام محرك معزول.
ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن توفير المزيد من التحيز السلبي للبوابة قد يوفر هامشًا متزايدًا ويمنع التشغيل الخاطئ. ومع ذلك ، فإنه يزيد أيضًا من انخفاض الصمام الثنائي أثناء التوصيل في الربع الثالث. لذلك ، يجب تحقيق توازن بين توفير تحيز سلبي مناسب والحفاظ على كفاءة التشغيل.
التقليل من محاثة حلقة الطاقة كخطوة نهائية نحو تصميم محركات بوابة GaN
شدد بيرسون على أن استخدام حزمة تثبيت السطح أمر لا بد منه لتقليل محاثات حلقة الطاقة إلى أدنى حد حيث يلزم تشغيل مكونات الثقوب بترددات منخفضة للتخفيف من تجاوز جهد المحرِّض اللحظي. هذا يحد من إمكانات التردد العالي لـ GaN ، وبالتالي يفضل حزم التثبيت السطحي ، والتي يمكن ملاحظتها أيضًا في بطاقة الابنة المصممة بواسطة Infineon في الشكل 2. هناك طريقة أخرى وهي الانتباه إلى مكان التدفق الحالي لتعظيم العائد الحالي المتبادل الحث.
تشترك حلقة تيار محرك البوابة في مسار استقرائي مع التيار الرئيسي ، والذي يمكن أن يكون في نطاق عشرات الأمبيرات ، ويولد تيارًا متغيرًا (dI / dt) من خلال محاثة المسار. يمكن أن يؤدي هذا التيار المتغير إلى إحداث جهد عبر المحاثة ، مما قد يؤثر على جهد البوابة المطبق وينتج عنه أوقات تشغيل وإيقاف أبطأ. يمكن أن يؤدي أيضًا إلى مشاكل التذبذب والتأثير على الأداء العام للنظام. لذلك ، من خلال تصميم مخطط الدائرة وتوجيهها بعناية ، يمكن تصميم مسار تيار العودة لتعظيم الحث المتبادل والمساعدة في تصميم محرك بوابة فعال لأجهزة طاقة الجاليوم.
مراجع
1 G. -79 ، دوى: 10.1109 / ISPSD.2018.8393606.
اكتشاف المزيد من موقع 5 كيلو
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
